Общие сведения. Удельной мощности дизеля

Удельной мощности дизеля

Тема 3.1. Наддув как основной метод повышения

Лекция № 14

Основные вопросы:

1. Общие сведения.

2. Основные схемы реализации наддува.

Мощность двигателей внутреннего сгорания в одном агрегате за последние годы достигает нескольких тысяч кВт. Достижение такой агрегатной мощности было бы невозможно только за счет увеличения размеров цилиндра двигателя или его быстроходности. К тому же как следует из уравнения мощности, повышение размеров цилиндра вынуждает снижать частоту вращения вала, а это в свою очередь уменьшает мощность двигателя

где	- рабочий объем цилиндра
	- низшая теплота сгорания топлива,
	- коэффициент избытка воздуха при сгорании
	- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива,
	- число цилиндров
	- коэффициент тактности
	- коэффициент наполнения
	- индикаторный к.п.д.
	- механический к.п.д.
	- плотность воздушного заряда

При прочих равных условиях мощность пропорциональна третьей степени диаметра цилиндра

т.к. ; где ).

Размеры цилиндра всегда увязываются с частотой вращения вала. Чем быстроходнее двигатель, тем меньше допустимый диаметр цилиндра и ход поршня. Дизели с диаметром цилиндра D=600÷800 мм обычно развивают не более 120÷100 об./мин.; быстроходные с n=1 500÷2 500 об./мин. имеют D=200÷85 мм.

Увеличение диаметра цилиндра влечет за собой возрастание сил инерции и динамической нагрузки на главные подвижные детали двигателя. Это обстоятельство заставляет у быстроходных дизелей применять малые размеры цилиндра, но с целью увеличения суммарного рабочего объема число цилиндров в одном ряду в некоторых случаях доводят до 10-12. Кроме того, с той же целью употребляются сложные кинематические схемы с V – образным, W – образным, звездообразным и другими способами расположения осей цилиндров. В настоящее время имеются быстроходные дизели с числом цилиндров до 50 и более.

Даже у самых тихоходных современных двигателей максимальные диаметры цилиндра, за редким исключением, не превосходят 750-800 мм. С увеличением диаметра цилиндра кроме указанного возрастания сил инерции, ухудшаются условия охлаждения цилиндра, т.к. уменьшается величина относительной поверхности охлаждения. Это в свою очередь сказывается на теплонапряженности цилиндра.

Количество теплоты, которое проходит через стенку в единицу времени при данной разности температур, пропорционально поверхности охлаждения:

где	- коэффициент теплоотдачи от стенки охлаждающей жидкости
	- температура охлаждающей поверхности стенки
	- температура охлаждающей воды.

Абсолютная величина поверхности охлаждения возрастает с увеличением диаметра цилиндра в квадратичной зависимости. При сохранении постоянства коэффициент избытка воздуха с увеличением диаметра цилиндра соответственно возрастает расход топлива.

Если считать, что условия сгорания не изменяются, то количество теплоты выделяющейся в час можно определить следующим образом:

где - коэффициент выделения теплоты при сгорании.

или

Следовательно, изменение количества выделившейся теплоты пропорционально, при прочих равных условиях, третьей степени диаметра цилиндра. Иначе говоря, с увеличением диаметра цилиндра возрастает доля теплоты, приходящейся на единицу поверхности цилиндра, что приводит к возрастанию телонапряженности.

Таким образом, повышение мощности за счет конструктивных размеров цилиндра и частоты вращения вала весьма ограничены. Наиболее существенным резервом повышения мощности без изменения размеров и быстроходности двигателя является наддув.

Смысл и цель наддува заключается в повышении мощности при данных размерах двигателя без увеличения частоты вращения вала за счет подачи в цилиндры воздуха под повышенным давлением и соответствующего увеличения цикловой подачи топлива.

О форсировке двигателя за счет наддува принято судить по отношению среднего эффективного давления двигателя с наддувом к среднему эффективному давлению того же двигателя без наддува.

- степень наддува

Таким образом, степень наддува показывает, во сколько раз возрастает эффективная мощность двигателя вследствие применения наддува при сохранении неизменными числа цилиндров и их размеров, а также частоты вращения вала.

Повышение степени наддува достигается за счет увеличения давления воздуха на всасывании. Это позволило повысить у четырехтактных двигателей от 0,5÷0,65 мПа до 1,8÷2,5 мПа и более, у двухтактных дизелей от 0,45÷0,55 мПа до 1,2÷1,5 мПа. При этом также повышалась топливная экономичность работы двигателей. У современных двигателей с наддувом удельный эффективный расход топлива составляет 185÷210 .

Увеличение давления нагнетаемого в цилиндры воздуха повышает параметры физического состояния воздушного заряда и продуктов сгорания во всех характерных точках индикаторной диаграммы: расчет давления в конце процесса сжатия , максимальное давление цикла , давление в конце процесса расширения . Соответственно увеличивается при этом и температура рабочего тела, поскольку при сжатии воздуха в нагнетателе повышается и его температура:

где n – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

Повышение температуры надувочного воздуха отрицательно сказывается на массе воздушного заряда, т.е. снижается эффективность наддува, а главное при этом увеличивается теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы. В этой связи возникает необходимость охлаждения надувочного воздуха перед тем, как он поступит в цилиндры двигателя.

Экспериментальные исследования показывают, что снижение температуры на каждые 20º С позволяет повысить мощность дизеля примерно на 5,0-6,0%, снизить максимальную и соответственно среднюю температуру цикла, теплонапряженность двигателя, улучшить его топливную экономичность.

При наддуве повышается энергетический уровень отработавших газов, что позволяет использовать их располагаемую энергию в газовой турбине, приводящей в действие компрессор. В некоторых случаях мощность, развивается газовой турбиной, может быть больше мощности, потребляемой компрессором, и тогда избыточная мощность турбины передается на вал дизеля, т.е. суммируется с эффективной мощностью поршневого двигателя.

Дата добавления: 2014-01-05